10.4. Генераторы пилообразного напряжения

Во многих электронных устройствах - телевизионных и радиолокационных индикаторах, аппаратуре для точного измерения времени, в устройствах задержки импульсов на калиброванное время и т. п,- широко используются генераторы пилообразного (линейно-изменяющего) напряжения. Временная диаграмма пилообразного иапряжения приведена на рис. 10.10, Основными параметрами такого напряжения являются; длительность рабочего /р и обратного хода пилообразного надряжния; период следования импульсов Т; амплитуда импульсов Um коэффициент нелинейности е и коэффициент использования напряжения источника питания . Коэффициент нелинейности в характеризует величину отклонения напряжения на рабочем унастке от линейного закона и оценивается относительным изменением скорости пнло- образного "напряжения du/dt на рабочем участке (за время /р)

в = lidu/di) - iduldt)J/{duldl), (10.53)

где idu/dl) - скорость изменения напряжения в начале рабочего участка; idufdi) - скорость изменения напряжения в конце рабочего участка (рнс. Ю. 10).

Работа генераторов пилообразного напряжения основана на заряде или разряде конденсатора в течение рабочего хода. Имен в виду известное соотношение между током я напряжением конденсатора Io = Cdujdf, выражение для в можно записать в виде

е = (с max - с mJIC m.ix (0-54)

где /г max И /г mil. - максимальное и мннн-

Рнс. 10.10. Временная диаграмма пилообразного напряжения

С max и с

мальное значения тока на рабочем участке, Из формулы (10.54) следует, что для получения малого значения коэффициента иелинейностл конденсатор необходимо заряжать или разряжать током, близким к постоянному. В зависимости от области применения генератора пилообразного напряжения коэффициент нелинейности имеет значение от долей до единиц и даже десятков процентов.

Эффективность работы генератора линейно изменяющегося напряжения оценивается коэффициентом использования источника питания £к

%=UmlEy,. (10.55)

Для наиболее совершенных схем генераторов I может иметь величину порядка 0,9.

Важными характеристиками генераторов явлйются также быстродействие, нагрузочная способность, экономичность, возможность регулировки амплитуды и длительности импульсов, периода каебаний и т. д.

В зависимости от предъявляемых к генератору требований существенно видоизменяется его схема, режимы работы, стабильность и быстродействие [4, 25, 26]. Ниже рассматриваются лишь некоторые схемы генераторов пилообразного напряжения, работающих в ждущем режиме.

10.4.1. Разновидности схем транзисторных генераторов 1]илоой>азнога натря-

.. На рис. 10.11. а приведена простейшая схема генератора пилообразного наряжения с зарядом конденсатора через резистор. В исходном состоянии транзнстор I открыт и насыщен. Поэтому напряжение на его коллекторе U, а.следовательно, на конденсаторе С2, т. е. на выходе схемы, близко к нулю (рис. 10 И, б)

(10.56)

С приходом иа базу положительного запускающего импульса транзистор запирается в конденсатор С2 начинает заряжаться по цепи: + Е, конденсатор С2, реэистер JB, -£"к с постоянной времени т = R-. Напряжение иа конденсаторе, изменяясь не экпоненцнальному закону, стремится к величине £ц

--ЕА\-е-\

(10.57)

При t = tp напряжение на выходе достигает наибольшего по абсолютной величине

значения

При tph <

(10.58) (10.59)

; 1 амплитуда выходных импульсов составляет и,г,==\Ек1рП\.

По окончании запускающего импульса транзистор VI отпирается и конденсатор С2 быстро через него разряжается. Поскольку внутреннее сопротивление открытого транзистора мало, постоянная времени разряда конденсатора оказывается меньше постоянной времени заряда. Поэтому в данной схеме < р. "ртя соотношение tpitt получается сравнительно небольшим.

-o-f.

® т1

ВктсО

Рис. 10.11. Генератор пилообразных нмпульсои с зарядом конденсатора через резистор; а - принципиальная сх«ма; б - временные диаграммы

Коэффициент нелинейности в для рассматриваемой схемы ориентировочно равен = tp/T=Un,/E = l. (10.60)

Для уменьшения коэффициента нелинейности приходится увеличивать аапряже-аие питания £к, которое может превыс ить максимально допустимое напряжение КЭтах- Дляпредотврашрния случайного пробоя транзистора кегЬ коллектору подключается диод V2 (рис. 10.11, а), который фиксирует потенциал коллектора на некотором уровне - £ф. Напряжение источника питания £ф выбирается так, чтобы

Если отрицательное напряжение на коллекторе транзистора превысит - £ф, диод V2 открывается и пропускает через себя ток, защищая транзистор от пробоя.

Одним из недостатков схемы на рис. lO.II, а является малая величина отнопю-ння ipflo- Устраняется он в схеме, приведенной иа рис. 10.12. Здесь используется дополнительная цепочка aVj. Диод V2 в течение рабочего хода закрЕлт, и ток заряда ионденсатора проходит через резистор ЯЗ. Конденсатор С2 при этом заряжается с постоянной времени t = (Яа + Ra) Сд. Разряд конденсатора С2 осуществляется токш транзистора, протекающим через открытый диод V2, который, имея незначительнад сопротивление, шунтирует резистор R3. Если выбрать Яз > R. можно, сохранив аеизменной постоянную времени заряда для получения заданной длительности рабочего хода импульса (р, уменьшить емкость С2 и тем самым значительно сократить постоянную времени разряда, а следовательно, и длительность обратного хода При этом отношение ip/tf, заметно увеличивается.

На рнс. 10.13, а приведена одна из наиболее высококачественных схем генераторов пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью, которая позввл»-ет получить линей но-изменяющееся напряжение с коэффициентом нелинейноегн, равным единицам или даже десятым долям процента. В исходном состоянии траиив-

тор V\ запертнебольшим положительным напряжением на базе Uq. которое о5?> печивается надлежащим выбором напряжения вспомогательного источника Lf-. сопротивлений резисторов К1 и R2 и внутреннего сопротивления открытого Днолч V2. При этом правая по схеме обкладка конденсатора С2 имеет отрицательный потеи-цнал, близкий к - а левая обкладка - пол:» жительный потенциал, равный потенциалу базы запертого транзистора.

Входной импульс отрицательной полярности с длительностью/„д, равной длительности рабочего хода пилообразного напряжения (рис. 10.13, б), запирает диод V2. Прн этом транзистор отделяется от источника а база через резистор Ri

Рис, 10.12. Схема генератора пилообразного напряжения с повышенным отношением /р/ от нсточника приобретает некоторый отрицательный потенциал Величина

скачка напряжения на базе с приходом запускающего импульса состаалнет

= (10.62)

Отрицательный скачок напряжен;1Я на базе через конденсатор С2 передается на коллектор, из-за чего напряжение на коллекторе понижается на такую же велнчц-иу AU, (рис. 10.13, б).

Рис. 10.13. Генератор пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью: а - прииаипивльная скеыа; б - временные диаграммы

После отпирания транзистора конденсатор С2 начинает разряжаться через ре-аасгор RI, источник н открытый транзистор VI. Ток разряда конденсатора равен

р==((с1+гк-1/кэ1)«1- (10S3)

При разряде напряжение на конденсаторе С2 снижается. Однако при этом пйгенцнал базы1/Бэ= Uq ~ V; становится более отрицательным, коллекторный t увеличивается, а коллекторное напряжение Vf по абсолютной величине умеиь-ется. Поэтому напряжение 0 остается практически неизменным, а это, в свою очередь, означает, что величина тока разряда конденсатора /р поддерживается также веюменной. Таким образом, роль отрицательной обратной связи между коллектором вазой транзистора (через конденсатор С2) проявляется в том, что уменьшение тока разряда конденсатора вызывает противодействие схемы, препятствующее этому из-

менению тока, В результате можно считать, что

/р в = const, (10.64)

т. е разряд конденсатора осуществляется практически постоянным током

Следствием разряда конденсатора С2 в течение рабочего хода почти по линейному закону является почтя линейное уменьшение напряжения на конденсаторе С2 и, соответствеино, почти линейное возрастание напряжения t/jg, являющегося выходным напряжением генератора (рис. 10.13, б).

После того как иа входе заканчивается действие запирающего импульса, диод V2 открывается, а транзистор VI вновь запирается, и напряжение на коллекторе и ба-

С1 Жю Т-г Плг

Рис. 10.14. Генераторы пилообразного напряжения: я - с дополнительны» резистором п цепи обратной связи н фиксацией напряжения на коллекторе; б - с гибридным включением биполярного и полевого транзисторов

ве постепенно достигает значений, соответствующих исходному состоянию. Следует отметить, что отрицательная обратная связь действует только шри работе транзистора в усилительном режиме, когда он открыт. Поэтому в течение времени /bi когда напряжение на коллекторе по абсолютной величине уменьшается, должна быть исключена вероятность перехода транзистора в режим насыщения.

. Длительность рабочего хода /р генерируемых пилообразных импульсов определяется длительностью входных импульсов; длительность обратного хода ic -"временем заряда конденсатора С2

/o3(/?,-f йд„р+/?з)С,. (10.65)

ГДР .д пр - прямое сопротивление открытого диода V2.

Коэф{)ициент нелинейности генератора с отрицательной обратной связью равен 8 = /?i i2l33- 00.66)

Практически схема, приведенная на рис. 10.13, а, позволяет получить в = (0,5... 5)% при коэффициенте использования напряжения нсточника питания = 0,85... 0,95; длительность рабочего хода /р соответствует микросекундному диапазону .[4].

На рис. 10.14 показаны схемы генераторов пилообразного напряжения с отрицательной обратной связью, несколько отличающиеся от базовой схемы на рис. 10.13, о. В схеме на рис. 10.14,0 с помощью дополнительного резистора R2 удается компенсировать первоначальный скачок напряжения AUi на коллекторе транзистора VI,

Разумеется, ток /р на протяжении рабочего хода несколько уменьшается, но это уменьшение происходит на величину, значительно меньшую, чем было бы в отсутствие обратной связи.

а с помощью фиксирующего днода КЗ установить некоторый пороговый уровень отрицательного напряжения на коллекторе, не превышающей по абсолютной величине напряжение источника Ei. При достижении коллекторным напряжением уровня -£j открывается диод V3 и фиксируется потенциал коллектора запертого транзистора ва уровне - £,-. Тем самым удается несколько уменьшить длительность обратного кода импульса о-

В схеме иа рис. 10.14, б используется гибридное соединение биполярного и полевого транзистора. В качестве полевого транзистора применяется МДП-транзистор с р-каналоы, работающий в режиме обогащения и обладающий очень большим входным сопротивлением. Схема позволяет увеличить коэффициент усиления каскада по напряжению

=/,2,5Яз. (10.67)

где S - крутизна стоко-затворной характеристики полевого транзистора. Коэффициент нелинейности такой схемы равен

е = 1/(1+Я[/). (10.68)

Поэтому чем больше к.ц и S используемых транзисторов, тем больше Кц и тем меньше коэффициент нелинейности схемы. Так, прн А,, = 100. S= 5 мА/В и/?з = = 2 кОм получаем е 0,1%. л

10.4.2, Расчет транзисторного генератора пилообразного напряжения. При расчете генератора пилообразного иапряжения обычно задаются: длительность рабочего tp и обратного /с хода генерируемых импульсов; требуемая амплитуда импульсов и допустимый коэффициент нелинейности е. В результате расчета должны быть определены параметры элементов схемы генератора. Рассмотрим порядок расчета генератора пилообразного напряжения применительно к схеме на рис. 10.13, о [4, 23, 25[.

1. Определяем напряжение источника коллекторного питания

£к = (1,1. . .1,2) и, (10.69)

а в случае использования схемы с фиксирующим диодом

£«>£! = (1.1. . .1,2) f/„, (10.70)

где - заданная амплитуда импульсов, а £к ;=< 2Ei.

2. По найденному напряжению Як выбирают тнп транзистора. Необходимо, что-

£«<Г/кБтах. (Ю-О

где f/[g gjj - максимально допустимое постоянное напряжение выбранного типа транзистора.

При выполнении условия (10.71) предпочтение отдается тра1(зисторам с большим значением Ajg, малой величиной /[go> высоким значением предельной частоты коэффициента передачи тока i-

3. Определяем сопротивление резистора ЯЗ в цепн коллектора в соответствии с неравенством

Рекомендуемые значения сопротивления резистора R3 лежат а пределах (I... 10) кОм.

4. Находим сопротивление резистора Rl по заданному значению коэффициента нелинейности

/?1 = еЛ2ьй,/5. (10.73)

где £ выбирается в пределах 0,85.,,0,95.

5. Определяем емкость конденсатора С2 по формуле

С2 = р№- (10-74)

6. Находим длительность 1. Для схемы,на рис. 10.13,а оиределнется по формуле (10,65), а для схемы на рнс. 10.14, а по формуле 1

to = (Я, +йд.„р -f R,) С, In 1£к/(£к - ад (r0.75j

где R - прямое сопротивление диодй V2 (порядка десятков - сотен Ом в зависимости от типа диода). Обычно в качестве диодов V2 и V3 (на рис. 10.14, о) выбирают кремниевые универсальные или импульсные диоды с высокой рабочей частотой и ма» лым временем восстановления обратного сопротивления.

7. Иэ условия неискаженной передачи входных импульсов рассчитываем шкосп конденсатора

10.5. Генераторы импульсов на интегральных микросхемах

в микроэлектронной технике широко используются генераторы импульсов на ИМС, при построении которых применяются три варианта схемных решений:

1. Генераторы на основе спепнальво сконструированных ИМС, предназначенных для генерирования импульсов прямоугольной формы (буквенное обозначение в маркировке ИМС - ГГ); линейно-изменяющихся сигналов (ГЛ) и сигналов специальной формы (ГФ).

2. Генераторы на основе ИМС операционных усилителен с использованием кас-надов дифференциального усиления.

й 4 10

жгиЛяП Пот hmmo

-щ, ш--

27ВО

2700

Рис. 10.15. Мультивибратор на ИМС К1ГФ192А - К1ГФ192В:

а - принципиальная схема; б - типовая схема вк.ючеимя

3. Генераторы на основе соответствующей комбинации логических ИМС.

К ИМС. специально предназначенным для генерирования импульсов, следует отнести микросхемы 2ГФ1а1, К1ГФ192А - К1ГФ192В, К2ГФ181, К2ГФ182, К224АФ1, К1ГФ191 и др. [11, 13, 25, 34],

На рис. 10.15 - 10.18 приведены принципиальные схемы и типовые схемы включения автоколебательных мультивибраторов на ИМС. Основные технические показатели этих мультивибраторов:

на ИМС К1ГФ192А - К1ГФ192В: напряжение источника питания V„= + ЗВ; ток потребления 1. < 6 мА; амплитуда выходных импульсов = 1,4 В; длительность выходных импульсов = (10...20) мкс; длительность среза импульсов Тс 1 (0.8 ... 1.8) мкс;

на ИМС К2ГФ181; потребляемая мощность Р,,., < 86 мВт; амплитуда выходных импульсов Urn 2,8 В; период повторения импульсов Т= (0,6...1,5) мкс; длительность фронта импульсов Тф 1 мкс; длительность среза. импульсов "Хс 0.2 мкс; сопротивление нагрузки /?„ = 2 кОм;

на ИМС К2ГФ182: потребляемая мощность Pj. 76 мВт; амплитуда входного напряжения U = - (2,5...6) В; длительность запускающих импульсов